2018 Fiscal Year Annual Research Report
プラズマ流の能動制御コンセプトに基づいたプラズマアクチュエータの最適設計
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17J07566
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
中井 公美 東京農工大学, 大学院工学府, 特別研究員(DC1)
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2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | プラズマアクチュエータ / 誘電体バリア放電 / 流体制御 / プラズマ / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，3電極プラズマアクチュエータにおいて高出力の水平方向ジェットを高効率に生成することを目的とし，電圧印加方法及び素子形状の提案に取り組んでいる．本年度は，前年度に数値解析から提案した印加電圧波形の有効性の実証に向け，実験によるパラメトリックスタディを行うとともに，放電プラズマシミュレーションの数値モデルの改良を行った．
まず，提案波形の有効性を実証するためには，素子形状及び駆動パラメータを適切に設定する必要があるため，形状及び駆動パラメータが，放電及びジェット生成の特性に与える影響を，放電発光の撮像とPIV計測による流れ場の可視化実験により調査した．その結果，誘電体下面にグラウンド電極を有する素子形状が，DC電極周りの体積力強化に有効であることがわかった．これは，グラウンド電極を配置することで発生するAC電極周りの放電によって，DC電極周りの放電が強化されるためであり，その効果は駆動条件（印加電圧の振幅及び周波数）によっても変化する．これらの知見は，提案波形の有効性の実証に大きく役立つものである．
また，数値的アプローチとして，放電プラズマシミュレーションの数値モデルの改良に取り組んだ．定量的に実験結果を再現できる数値モデルを構築できれば，印加電圧波形だけでなく，適切な形状及び駆動パラメータについても定量的に提示することが可能となる．数値モデルに考慮するプラズマ粒子種及び反応過程に着目し，シミュレーション結果に与える影響を段階的に調査した結果，プラズマの消失過程を詳細に考慮することが，プラズマ生成量とそれに伴う体積力生成に定量的に影響することがわかった．ゆえに，実験結果と比較しながら消失過程を最適化することで，シミュレーションの予測精度を向上できることが示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の最終的な目標は，3電極プラズマアクチュエータにおいて高出力の水平方向ジェットを高効率に生成できる電圧印加方法及び素子形状を提案することである．この目標に対する過去２年間の達成度はおよそ３分の２と考えている．
当初の計画通り，放電プラズマシミュレーションにより解析した物理メカニズムに基づき，印加電圧波形を提案することに1年度目に成功した．提案波形の有効性を実証するためには，形状及び駆動パラメータを適切に設定することが必要であるが，2年度目に実験によるパラメトリックスタディを行うことで，各パラメータが放電及び体積力生成の特性に与える影響について重要な知見を得ることができた．これにより，実証に向けたパラメータ設定の目途を付けたことが大きな成果である．並行して，数値的アプローチとしてプラズマシミュレーションの数値モデルの改良に取り組み，考慮するプラズマ粒子種及び反応過程を改良することで定量的な再現性を向上できる可能性が示された．改良したモデルを用いて印加電圧波形及びパラメータ設定をより高精度に提案できることは，目標に近づく成果である．以上から，本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，放電プラズマシミュレーションの数値モデルの更なる改良を図る．前年度にプラズマの生成及び消失過程に着目し，消失過程を詳細に考慮することで定量的な再現性を向上できる可能性が示されている．そこで本年度は，再現性に影響を与え得る他の要因として，現状の数値モデルで考慮していないより詳細な反応過程と，数値モデルに用いている局所電界近似に着目し，放電及び体積力生成に与える影響を調査する．そして，実験結果をより高精度に予測可能な数値モデルを構築する．
次に，印加電圧波形とパラメータ設定を最適化する．初年度に提案した波形はごくシンプルな設計であるため，改良した数値モデルを用いたパラメトリックスタディを実施しより高精度に物理現象を解析することで，より効果的に働く印加電圧波形を設計できると期待できる．また，前年度の実験によるパラメトリックスタディで得られた知見と照らし合わせることで，設計した波形が効果的に働くためのパラメータ設定を明確にする．
最後に，提案した印加電圧波形及びパラメータ設定を適用した3電極プラズマアクチュエータの性能を評価する．静止流体中でアクチュエータを駆動し，PIV計測による流れ場の可視化実験及び放電発光の撮像を行うことで，ジェット偏向の有無，ジェット強度，放電強度の観点から，提案波形の有効性を検証する．
日本機械学会年次大会，数値流体力学シンポジウム，AIAA SciTech Forumなどでの成果発表と，学術雑誌への論文投稿を予定している．
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